(57)【要約】【課題】光学系の振動、揺らぎ等による精度劣化を防ぎ、変化の大きい環境下で高精度な３次元計測を可能にする。【解決手段】コリメートレンズ２によって平行化され、透過型回折格子３を透過したレーザ光の０次光と１次光を空間フィルタ５によって分離して得られた２つの平行光束Ｌ1 、Ｌ2 による干渉縞を被測定物Ｗ1 に投影し、変調干渉縞を撮像素子７によって撮像し、画像処理装置８において画像処理する。同じ光路をたどる２つの平行光束Ｌ1 、Ｌ2 が、レンズ４ａにおける０次光と１次光の焦点位置ずれによる変位量に基づいて干渉縞を発生するコモンパス系であるため、振動や揺らぎによる精度劣化を回避できる。【選択図】図１
2005326192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、前記レーザ光源のレーザ光を平行光に変換する光学素子と、前記光学素子から出射する平行光を光線シェア手段によって同じ進行方向の２本の平行光束に分割し、前記２本の平行光束が重複する部分で発生する干渉縞を被測定物に投影する干渉縞投影光学系と、前記干渉縞が投影された前記被測定物の表面の変調縞を撮像する撮像素子とを備え、前記撮像素子によって撮像された前記変調縞の位相情報に基づいて前記被測定物の形状を演算によって求めることを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
光線シェア手段が、透過型回折格子と、前記透過型回折格子のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換素子と、前記フーリエ変換像の０次光と１次光のみを透過させる空間フィルタと、前記０次光と前記１次光を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換素子とを有することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
光線シェア手段が、反射型回折格子と、前記反射型回折格子のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換素子と、前記フーリエ変換像の０次光と１次光のみを透過させる空間フィルタと、前記０次光と前記１次光を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換素子とを有することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
光線シェア手段が、ウェッジ付透明基板を有することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
光線シェア手段が、偏光プリズムと、前記偏光プリズムの直後に配置された偏光板とを有することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉縞の投影によって大面積の形状計測を高精度で行うことができる３次元形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物体の３次元形状を測定する手法として、格子パターン投影による３次元形状計測法が提案されている。この技術は、特許文献１で提案されている手法で、測定対象に格子パターンを投影し、形状に応じて変調された格子パターンから形状を求める手法である。この手法の特徴として面内形状の一括計測を行うことが可能である。また、投影するパターンの格子周波数に応じて測定レンジを大きく変えることができるため、人体の形状等の大形状からμｍオーダの形状計測まで幅広い応用が可能である。このμｍオーダの形状計測が可能で、面内一括計測であるため測定時間が短いという２つの特徴から、格子パターン投影法は成形品の形状検査装置等への応用が期待されている。
【０００３】
格子パターン投影法でμｍオーダの形状計測を行うためには、投影格子間隔をμｍオーダまで狭めてやる必要がある。しかし、実体格子パターンの投影を行う場合、格子間隔が狭くなることで回折の影響が顕在化し、理想的な格子パターンを投影することができなくなるという未解決の課題がある。投影格子の格子間隔を狭める場合には、回折の影響を逃れ理想的な格子パターンを投影できる方法として干渉縞投影を利用する方法があり、特許文献２にて提案されている。
【０００４】
この技術では格子周波数の調整が容易な系として、図５に示すように、レーザ光源１０１、コリメートレンズ１０２、ビームスプリッタ１０３、平面ミラー１０４からなる２光束干渉系が用いられる。ビームスプリッタ１０３によって分離された２つの光束Ｌ1 、Ｌ2 をホルダー１０５上の被測定物Ｗ0 の表面で交差させ、発生した干渉縞を対物レンズ１０６を介して撮像素子１０７で撮像し、画像処理装置１０８において画像処理する。
【０００５】
このような干渉縞投影では、上記の回折の影響を受けないことに加えて、投影パターンが正弦波状のプロファイルをもつという長所をもつ。投影パターンが正弦波状であることから、位相シフト法に代表されるような位相解析技術を用いることによって、測定分解能を更に高めることが可能となる。特に位相解析手法にフーリエ変換法を利用すれば、解析に必要とされる変調縞画像は１枚のみであるため、瞬時形状計測・リアルタイム形状計測といった測定にも対応することが可能である。以上のことから、数十μｍ間隔の干渉縞を投影することで、μｍオーダの分解能で、極めて高速に形状計測を行うことが可能であることがわかる。
【特許文献１】特開２００２−２２４８２８号公報
【特許文献２】特公平３−１２６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の方法で干渉縞投影を行う場合、２光束干渉系に機械的振動や熱的な揺らぎが存在する場合には、投影パターンに振動・変調が起こってしまう。このため、制御された環境下以外では測定精度が大きく損なわれてしまい、生産ライン等の悪環境下では測定が行えない。ラインと切り離された検査装置として使用する場合であっても、環境制御された場所での使用、あるいは環境制御機構を装置自身に組み込むことが要求され、ハイコストの原因となるという未解決の課題があった。
【０００７】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、分割された２つの光束が１つの光束系を共有するコモンパス干渉を利用することによって、熱的・機械的な揺らぎの存在する環境下においても、測定精度を損なうことなく３次元形状測定を自動で行うことを可能とする３次元形状計測装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の３次元形状測定装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源のレーザ光を平行光に変換する光学素子と、前記光学素子から出射する平行光を光線シェア手段によって同じ進行方向の２本の平行光束に分割し、前記２本の平行光束が重複する部分で発生する干渉縞を被測定物に投影する干渉縞投影光学系と、前記干渉縞が投影された前記被測定物の表面の変調縞を撮像する撮像素子とを備え、前記撮像素子によって撮像された前記変調縞の位相情報に基づいて前記被測定物の形状を演算によって求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
平行光に変換されたレーザ光を、回折格子等を用いた光線シェア手段によって同じ光路上で重複する２本の平行光束に分割し、両者の間の変位量、シフト角または位相差によって干渉縞を発生させるものであるため、分割した２つの光束を個別の光路を経て干渉させる２光束干渉系に比べて、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがない。
【００１０】
従って、変化の大きい環境下においても高精度な３次元計測を安定して行うことのできる信頼性の高い３次元形状測定装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例１を説明する図である。図１（ａ）は３次元形状測定装置全体を説明する模式図である。図１（ａ）に示すように、干渉縞を形成するためのコモンパス干渉のための光線シェア手段であるシアリング干渉系を使用した干渉縞投影系を備え、この干渉縞投影系によって被測定物Ｗ1 の表面に投影された変調干渉縞を撮像素子７によって撮像し、撮像素子７から得られた変調縞画像を取得し、画像処理装置８においてフーリエ変換位相解析法を使用して３次元形状を算出する。
【００１３】
図１（ｂ）は図１（ａ）に示したシアリング干渉系を説明する詳細図である。図１（ｂ）のシアリング干渉系は、透過型回折格子３と、この回折格子のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換素子であるレンズ４ａと、フーリエ変換像の０次と１次のみを透過する空間フィルタ５と、透過した０次・１次光を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換素子であるレンズ４ｂとで構成され、この０次・１次光の干渉によって干渉縞を発生させる。
【００１４】
図１に示すように、レーザ光源１から射出したレーザ光は、光学系であるコリメートレンズ２によって平行光となり、透過型回折格子３へ入射する。
【００１５】
この回折格子を透過した光は回折の影響でｎ次の平行光束に分割される。このときｎ次光の０次光に対する回折角の大きさは、回折格子の格子間隔とレーザの波長によって決定される。回折格子の格子間隔をｄ、レーザ波長をλとすると、ｎ次光の回折角θは式（１）で表される。
【００１６】
【数１】
2005326192.tif 000003
ｎ次に分割された平行光束をそのまま照射すると各光束が多重に干渉し、等間隔の格子パターンは投影されない。そのため、透過型回折格子３の後にレンズ４ａを配置して回折光を集光させる。各次の回折光はそれぞれ異なる角度でレンズ４ａに入射するため、焦点位置はそれぞれ異なった位置になる。このときの焦点位置の変位量ΔＨは、レンズ４ａの焦点距離をｆとすると式（２）で表される。
【００１７】
【数２】
2005326192.tif 000004
この焦点位置の分布は、回折格子のフーリエ変換像に対応している。フーリエ変換像は０〜ｎ次が完全に分離して現れるため、焦点位置に空間フィルタ５を配置することで、任意の次数の回折光を抽出することができる。干渉縞を発生させるためには２本の光束のみを抽出すればよい。また、投影光の強度が最大となるとき、測定感度を最も高めることができることから、空間フィルタ５は０次光と１次光のみを透過するように設計する。０次と１次光のフーリエ変換像は隣接しているため、空間フィルタ５はピンホール１つでよい。ピンホールの直径は焦点位置の変位量ΔＨに依存し、その大きさは式（３）で表される。
【００１８】
【数３】
2005326192.tif 000005
空間フィルタ５を透過した０次・１次光は、レンズ４ｂによって逆フーリエ変換され変位量ΔＨを有する平行光束Ｌ1 、Ｌ2 へと戻される。このときのレンズ４ｂはレンズ４ａと同じＦナンバーのものを使用する。この結果、シェアされた０次と１次光が干渉し、干渉縞が被測定物Ｗ1 に投影される。干渉縞の投影方向は０次と１次光のなす角の二等分線の方向となる。すなわち、０次光と投影光のなす角は式（４）で表される角度となる。
【００１９】
【数４】
2005326192.tif 000006
このときに投影される干渉縞の格子間隔は０次と１次光のなす角から一意に決定される。この格子間隔ｄp は、式（５）で表される大きさとなる。
【００２０】
【数５】
2005326192.tif 000007
被測定物Ｗ1 に対してシアリング干渉縞を投影し、被測定物Ｗ1 の形状に応じて変調された変調縞を対物レンズ６で撮像素子７に対して結像させる。撮像素子７で撮像された変調縞は画像処理装置８へと取り込まれ、フーリエ変換位相解析により位相情報への変換が行われる。さらに位相のアンラッピング処理を行うことにより、被測定物Ｗ1 の形状情報が算出される。
【００２１】
このような構成とすることにより、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがなく、変化の大きい環境下においても高精度な３次元計測を安定して行うことのできる３次元形状測定装置を実現することができる。
【実施例２】
【００２２】
図２は本発明の実施例２を説明する図である。図２（ａ）は３次元形状測定装置全体を説明する模式図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示したシアリング干渉系を説明する詳細図である。図２で示す３次元形状測定装置は反射型回折格子１３と、この回折格子のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換素子であるレンズ１４ａと、フーリエ変換像の０次と１次のみを透過する空間フィルタ１５と、透過した０次・１次光を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換素子であるレンズ１４ｂとで構成され、この０次・１次光の干渉によって干渉縞を発生させる。なお、図２（ａ）、（ｂ）において図１（ａ）、（ｂ）と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略している。
【００２３】
図２（ｃ）は図２（ｂ）に示した反射型回折格子１３による回折光の出射角を説明する模式図である。図２は反射型回折格子１３によるシアリング干渉縞投影系を用いているもので、コリメートレンズ２によってコリメート（平行化）されたレーザ光は、反射型回折格子１３に角度θi で入射する。反射型回折格子１３の格子間隔ｄとすると、このとき±ｎ次の回折光の出射角θd （θi −θS ）は式（６）で表される角度となる。
【００２４】
【数６】
2005326192.tif 000008
図１の透過型回折格子を使用した場合と同様に、反射型回折格子１３の後にレンズ１４ａを配置して回折光を集光させる。各次の回折光はそれぞれ異なる角度でレンズ１４ａに入射するため、焦点位置はそれぞれ異なった位置になる。このときの焦点位置の変位量ΔＨは、レンズ１４ａの焦点距離をｆとすると式（７）で表される。
【００２５】
【数７】
2005326192.tif 000009
焦点位置に０次光と１次光のみを透過する空間フィルタ１５を設置する。この空間フィルタ１５はピンホール１つで形成される。ピンホールの直径ｒは焦点位置の変位量ΔＨに依存し、その大きさは式（８）で表される。
【００２６】
【数８】
2005326192.tif 000010
空間フィルタ１５を透過した０次・１次光は、レンズ１４ｂによって平行光束へと戻される。このときのレンズ１４ｂはレンズ１４ａと同じＦナンバーのものを使用する。この結果、シェアされた２本の平行光束Ｌ1 、Ｌ2 が干渉し、干渉縞が被測定物Ｗ2 に投影される。干渉縞の投影方向は０次と１次光のなす角の二等分線の方向となる。すなわち、０次光と投影光のなす角は式（９）で表される角度となる。
【００２７】
【数９】
2005326192.tif 000011
このときに投影される干渉縞の格子間隔は０次と１次光のなす角から一意に決定される。この格子間隔ｄp は、式（１０）で表される大きさとなる。
【００２８】
【数１０】
2005326192.tif 000012
被測定物Ｗ2 に対してシアリング干渉縞を投影し、被測定物Ｗ2 の形状に応じて変調された変調縞を対物レンズ６で撮像素子７に対して結像させる。撮像素子７で撮像された変調縞は画像処理装置８へと取り込まれ、フーリエ変換位相解析により位相情報への変換が行われる。さらに位相のアンラッピング処理を行うことにより、被測定物Ｗ2 の形状情報が算出される。
【００２９】
このような構成とすることにより、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがなく、変化の大きい環境下においても高精度な３次元計測を安定して行うことのできる３次元形状測定装置を実現することができる。また、反射型回折格子の角度を調整することで、投影格子間隔の調整を行うことも可能となる。
【実施例３】
【００３０】
図３は本発明の実施例３を説明する図である。図３（ａ）は３次元形状測定装置全体を説明する模式図であり、図３で示す３次元形状測定装置は、ウェッジ付透明基板２３で構成され、このウェッジ付透明基板２３の表面と裏面からの反射光Ｌ1 、Ｌ2 の干渉によって干渉縞を発生させる。なお、図３（ａ）において図１（ａ）と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略している。
【００３１】
図３（ａ）は図３（ｂ）に拡大して示したウェッジ付透明基板２３によるシアリング干渉縞投影系を用いているもので、コリメートレンズ２によってコリメート（平行化）されたレーザ光は、ウェッジ付透明基板２３に角度θi で入射する。ウェッジ付透明基板２３は、レーザ光を透過する素材で形成され、ウェッジ角θw を持っているとすると、基板表面からの反射光と基板裏面からの反射光のなすシフト角θP は式（１１）で表される。
【００３２】
【数１１】
2005326192.tif 000013
このときに投影される干渉縞の格子間隔ｄp は、式（１２）で表される大きさとなる。
【００３３】
【数１２】
2005326192.tif 000014
被測定物Ｗ3 に対してシアリング干渉縞を投影し、被測定物Ｗ3 の形状に応じて変調された変調縞を対物レンズ６で撮像素子７に対して結像させる。撮像素子７で撮像された変調縞は画像処理装置８へと取り込まれ、フーリエ変換位相解析により位相情報への変換が行われる。さらに位相のアンラッピング処理を行うことにより、被測定物Ｗ3 の形状情報が算出される。
【００３４】
このような構成とすることにより、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがなく、変化の大きい環境下においても高精度な３次元計測を安定して行うことのできる３次元形状測定装置を実現することができる。また、回折によって光束を分割する場合と比較して、空間フィルタ機構を必要としないため、投影光学系の小型化を実現することも可能となる。
【実施例４】
【００３５】
図４は本発明の実施例４を説明する図である。図４（ａ）は３次元形状測定装置全体を説明する模式図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示した光線シェア手段を説明する詳細図である。偏光プリズム３３とその直後に配置された偏光板３４とで構成され、偏光プリズム３３で分割された２本の光束Ｌ1 、Ｌ2 の干渉によって干渉縞を発生させる。なお、図２（ａ）、（ｂ）において図１（ａ）、（ｂ）と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略している。
【００３６】
コリメートレンズ２によってコリメートされたレーザ光は、偏光プリズム（ウォラストンプリズム）３３へ入射する。入射した平行光はｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分割され、別々に異なった方向に出射する。このときのｐ偏光成分とｓ偏光成分の進行方向のなす角度をθとする。
【００３７】
偏光プリズム３３から出射したｐ偏光成分とｓ偏光成分は、直後に配置された偏光板３４によって４５°方向の直線偏光へと変換される。その結果、２つの光束は可干渉となるため、干渉縞が形成される。このときの干渉縞の縞間隔は偏光プリズム３３で与えられた角度に応じて決定され、式（１３）で表される。
【００３８】
【数１３】
2005326192.tif 000015
被測定物Ｗ4 に対してシアリング干渉縞を投影し、被測定物Ｗ4 の形状に応じて変調された干渉縞を対物レンズ６で撮像素子７に対して結像させる。撮像素子７で撮像された変調縞は画像処理装置８へと取り込まれ、フーリエ変換位相解析により位相情報への変換が行われる。さらに位相のアンラッピング処理を行うことにより、被測定物Ｗ4 の形状情報が算出される。
【００３９】
このような構成とすることにより、光学系の熱的・機械的な揺らぎに影響されることがなく、変化の大きい環境下においても高精度な３次元計測を安定して行うことのできる３次元形状測定装置を実現することができる。また、回折によって光束を分割する場合と比較して、空間フィルタ機構を必要としないため、投影光学系の小型化を実現することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１を示すもので、（ａ）は３次元形状測定装置全体を説明する模式図、（ｂ）は透過型回折格子によるシアリング干渉系を説明する図である。
【図２】実施例２を示すもので、（ａ）は３次元形状測定装置全体を説明する模式図、（ｂ）は反射型回折格子によるシアリング干渉系を説明する図、（ｃ）は回折光の出射角を説明する模式図である。
【図３】実施例３を示すもので、（ａ）は３次元形状測定装置全体を説明する模式図、（ｂ）はウェッジ付透明基板による反射方向を説明する模式図である。
【図４】実施例４を示すもので、（ａ）は３次元形状測定装置全体を説明する模式図、（ｂ）は偏光プリズムによるシアリング干渉系を説明する図である。
【図５】従来の干渉縞投影による３次元形状測定装置を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    レーザ光源
２    コリメートレンズ
３    透過型回折格子
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ    レンズ
５、１５    空間フィルタ
６    対物レンズ
７    撮像素子
８    画像処理装置
１３    反射型回折格子
２３    ウェッジ付透明基板
３３    偏光プリズム
３４    偏光板
【図１】
2005326192.tif 000016
【図２】
2005326192.tif 000017
【図３】
2005326192.tif 000018
【図４】
2005326192.tif 000019
【図５】
2005326192.tif 000020